圖解電化學分析技術
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內容簡介
電化學原理與應用歷經Volta、Faraday、Nernst、Tafel、Butler、Frumkin、Marcus等人的努力和貢獻，已使現代產學界能夠理解電極與電解質的界面現象，以及伴隨的反應動力學和質傳現象，並已跨出理論面的探討，步入現代工程應用的核心。為了引導讀者系統性地認識電化學理論、分析技術與應用實例，本書自基礎原理出發，依序說明電極程序、電極界面現象、電位電流與極化之關聯，並涵蓋電化學分析系統的架構，以及可採用的穩態與暫態直流分析方法，並延伸至交流阻抗譜、光譜原位量測與探針原位量測。最後再介紹下列熱門研究領域中常用的電化學分析方法：
－金屬腐蝕
－電沉積
－電池
－超電容
－光電催化
以揭示電化學在金屬、半導體、能源、環工與生醫等領域的廣泛影響。書中架構縝密，圖例與實務應用兼具，既可作為大學高年級與研究所學生的參考教材，也適合研發人員進修使用。期望讀者透過本書，奠定堅實的電化學素養，培養跨領域整合與創新應用的能力。
－金屬腐蝕
－電沉積
－電池
－超電容
－光電催化
以揭示電化學在金屬、半導體、能源、環工與生醫等領域的廣泛影響。書中架構縝密，圖例與實務應用兼具，既可作為大學高年級與研究所學生的參考教材，也適合研發人員進修使用。期望讀者透過本書，奠定堅實的電化學素養，培養跨領域整合與創新應用的能力。
目錄
第一章 電化學原理
1-1 電化學之起源
1-2 電化學之理論發展
1-3 電化學之技術進展
1-4 電化學之專業術語
1-5 氧化與還原
1-6 電化學池
1-7 電極程序
1-8 金屬與電解質界面
1-9 半導體與電解質界面
1-10 電極電位
1-11 槽電壓
1-12 Nernst 方程式
1-13 離子濃度與電位
1-14 液體接面電壓
1-15 電流與反應
1-16 電化學反應速率
1-17 Butler-Volmer 動力學
1-18 極化
1-19 Tafel 動力學
1-20 濃度極化動力學
1-21 輸送現象
1-22 質量輸送
1-23 電荷輸送
1-24 擴散控制系統
1-25 非穩態擴散系統
1-26 電化學可逆
1-27 對流控制系統
1-28 電化學應用
1-29 電化學研究
第二章 電化學分析系統
2-1 電化學分析系統
2-2 工作電極
2-3 汞電極
2-4 碳電極
2-5 旋轉盤電極
2-6 旋轉盤環電極
2-7 氫電極
2-8 參考電極
2-9 電化學工作站
2-10 電化學分析原理
2-11 電化學分析方法
2-12 電位與電流測量
2-13 IR 補償
第三章 穩態電化學分析
3-1 穩態程序
3-2 極化曲線
3-3 電位與電流控制
3-4 穩態非平衡系統
3-5 穩態極化曲線測量
3-6 金屬腐蝕分析
3-7 金屬鈍化分析
3-8 化學鍍分析
3-9 金屬蝕刻分析
第四章 暫態電化學分析
4-1 暫態極化曲線測量
4-2 階梯電流分析－反應控制
4-3 階梯電流分析－質傳控制
4-4 多階梯電流分析
4-5 開環電位分析
4-6 控制電量分析
4-7 階梯電位分析－反應控制
4-8 階梯電位分析－質傳控制
4-9 線性掃描伏安法－可逆反應
4-10 線性掃描伏安法－不可逆反應
4-11 循環伏安法－反應控制
4-12 循環伏安法－質傳控制
4-13 循環伏安法－耦合勻相反應
4-14 循環伏安法－多電子反應
4-15 循環伏安法－微電極
4-16 溶出伏安法
4-17 脈衝伏安法
4-18 電化學活性面積測量
4-19 電化學電容測量
4-20 擴散係數測量
4-21 電化學雜訊法
第五章 電化學阻抗分析
5-1 等效電路
5-2 電路元件
5-3 交流阻抗
5-4 阻抗圖譜－RC 串聯電路
5-5 阻抗圖譜－RC 並聯電路
5-6 阻抗圖譜－複雜電路
5-7 電化學阻抗譜
5-8 電荷轉移阻抗
5-9 無限擴散阻抗
5-10 有限擴散阻抗
5-11 球形擴散阻抗
5-12 旋轉電極質傳阻抗
5-13 吸附反應之阻抗
5-14 彌散效應
5-15 多孔電極之阻抗
5-16 平帶電位分析
5-17 阻抗數據解析
第六章 電化學原位分析
6-1 原位測量
6-2 電化學原位紅外線光譜分析
6-3 電化學原位拉曼光譜分析
6-4 電化學原位質量分析
6-5 電化學原位掃描探針分析
6-6 掃描電化學顯微鏡
第七章 電化學分析應用
7-1 腐蝕分析
7-2 電沉積分析
7-3 鋰離子電池分析
7-4 超電容分析
7-5 光電催化分析
附錄
參考資料
1-1 電化學之起源
1-2 電化學之理論發展
1-3 電化學之技術進展
1-4 電化學之專業術語
1-5 氧化與還原
1-6 電化學池
1-7 電極程序
1-8 金屬與電解質界面
1-9 半導體與電解質界面
1-10 電極電位
1-11 槽電壓
1-12 Nernst 方程式
1-13 離子濃度與電位
1-14 液體接面電壓
1-15 電流與反應
1-16 電化學反應速率
1-17 Butler-Volmer 動力學
1-18 極化
1-19 Tafel 動力學
1-20 濃度極化動力學
1-21 輸送現象
1-22 質量輸送
1-23 電荷輸送
1-24 擴散控制系統
1-25 非穩態擴散系統
1-26 電化學可逆
1-27 對流控制系統
1-28 電化學應用
1-29 電化學研究
第二章 電化學分析系統
2-1 電化學分析系統
2-2 工作電極
2-3 汞電極
2-4 碳電極
2-5 旋轉盤電極
2-6 旋轉盤環電極
2-7 氫電極
2-8 參考電極
2-9 電化學工作站
2-10 電化學分析原理
2-11 電化學分析方法
2-12 電位與電流測量
2-13 IR 補償
第三章 穩態電化學分析
3-1 穩態程序
3-2 極化曲線
3-3 電位與電流控制
3-4 穩態非平衡系統
3-5 穩態極化曲線測量
3-6 金屬腐蝕分析
3-7 金屬鈍化分析
3-8 化學鍍分析
3-9 金屬蝕刻分析
第四章 暫態電化學分析
4-1 暫態極化曲線測量
4-2 階梯電流分析－反應控制
4-3 階梯電流分析－質傳控制
4-4 多階梯電流分析
4-5 開環電位分析
4-6 控制電量分析
4-7 階梯電位分析－反應控制
4-8 階梯電位分析－質傳控制
4-9 線性掃描伏安法－可逆反應
4-10 線性掃描伏安法－不可逆反應
4-11 循環伏安法－反應控制
4-12 循環伏安法－質傳控制
4-13 循環伏安法－耦合勻相反應
4-14 循環伏安法－多電子反應
4-15 循環伏安法－微電極
4-16 溶出伏安法
4-17 脈衝伏安法
4-18 電化學活性面積測量
4-19 電化學電容測量
4-20 擴散係數測量
4-21 電化學雜訊法
第五章 電化學阻抗分析
5-1 等效電路
5-2 電路元件
5-3 交流阻抗
5-4 阻抗圖譜－RC 串聯電路
5-5 阻抗圖譜－RC 並聯電路
5-6 阻抗圖譜－複雜電路
5-7 電化學阻抗譜
5-8 電荷轉移阻抗
5-9 無限擴散阻抗
5-10 有限擴散阻抗
5-11 球形擴散阻抗
5-12 旋轉電極質傳阻抗
5-13 吸附反應之阻抗
5-14 彌散效應
5-15 多孔電極之阻抗
5-16 平帶電位分析
5-17 阻抗數據解析
第六章 電化學原位分析
6-1 原位測量
6-2 電化學原位紅外線光譜分析
6-3 電化學原位拉曼光譜分析
6-4 電化學原位質量分析
6-5 電化學原位掃描探針分析
6-6 掃描電化學顯微鏡
第七章 電化學分析應用
7-1 腐蝕分析
7-2 電沉積分析
7-3 鋰離子電池分析
7-4 超電容分析
7-5 光電催化分析
附錄
參考資料
序／導讀
人類文明至今日，已進入人工智慧（AI）的紀元，這股浪潮起源於十八世紀末的蛙腿跳動，引領伏打步入電流的奧秘，因而誕生科學史上首座電池。如同振動的蝴蝶翅膀，這項「蛙腿效應」不僅點亮了後代實驗室的燈泡，更點燃了人類對化學原理和材料科學的無限想像與追尋。隨著法拉第架設起電磁與化學之間橋樑，電化學逐漸從地下室的實驗轉變成新文明的基石。在這段長河中，無數科學家以邏輯與實驗為舟，航行於微觀世界的能量與物質之間，才構築出今日倚賴的能源與光電科技基礎。
然而，進入21 世紀後，這條航道再度出現激流。AI 與數位浪潮正以前所未見的速度重塑科學家的研究樣貌，不斷注入嶄新的可能性。從電極反應的自動量測、複雜機制的模擬診斷，到操作生產的最佳化，AI 猶如一位具備「超感知」與「深計算」能力的協作者，與研究人員共同挑戰未知。這股科技變革，不僅提升了電化學技術的效率與精度，更深刻地改變化學工程領域的教育與職場生態。
傳統以經驗與直覺為核心的研究方式，應逐步整合AI 模型訓練、資料探勘與生成式應用，使未來的研究者除了操作儀器，還要協同AI 進行診斷、分析與決策，達成技能的實質升級。但此重構過程喚起我們對教育學習的再思考，研究者的科學直覺與批判思維是否能被取代？事實說明，AI 只是工具，真正能引領科技前行的仍是研究者對自然法則的洞察、對人類未來的承擔，以及法拉第般的求知熱忱。唯有構築紮實的領域知識（domain knowledge），才能成為前沿的研究者。
本書基於此理念，試圖傳承John Newman 之《Electrochemical Systems》與Allen J. Bard 之《Electrochemical Methods》等權威經典，同時融入理論與應用的發展脈絡，呈現出電化學分析的新趨勢。書中透過圖像化與概念視覺化的編排，希望幫助讀者由淺入深理解電化學分析的本質，也能掌握前沿研究的途徑。對於更深入的理論與實務面，歡迎讀者參考本人所著的《電化學工程原理》與《電化學工程應用》。
面對全球永續發展目標（SDGs）所帶來的挑戰，電化學正扮演愈來愈關鍵的角色，範圍遍及綠色生產、再生能源、環境整治、資源回收與生醫診斷，因為電化學分析是推動這些技術的加速器。「關心人類和我們的命運，始終是所有科技努力的目標」，愛因斯坦的這句話，在今日尤為深刻。電化學不只是科學的技藝，也是回應世界議題、改善未來生活的實現方式。吾人謹以本書的出版，向歷史的先行者致敬，也與當代的研究者對話，並邀請未來的實踐者加入，走進穿越時空的研發道路。
作者 吳永富
2025 年夏
然而，進入21 世紀後，這條航道再度出現激流。AI 與數位浪潮正以前所未見的速度重塑科學家的研究樣貌，不斷注入嶄新的可能性。從電極反應的自動量測、複雜機制的模擬診斷，到操作生產的最佳化，AI 猶如一位具備「超感知」與「深計算」能力的協作者，與研究人員共同挑戰未知。這股科技變革，不僅提升了電化學技術的效率與精度，更深刻地改變化學工程領域的教育與職場生態。
傳統以經驗與直覺為核心的研究方式，應逐步整合AI 模型訓練、資料探勘與生成式應用，使未來的研究者除了操作儀器，還要協同AI 進行診斷、分析與決策，達成技能的實質升級。但此重構過程喚起我們對教育學習的再思考，研究者的科學直覺與批判思維是否能被取代？事實說明，AI 只是工具，真正能引領科技前行的仍是研究者對自然法則的洞察、對人類未來的承擔，以及法拉第般的求知熱忱。唯有構築紮實的領域知識（domain knowledge），才能成為前沿的研究者。
本書基於此理念，試圖傳承John Newman 之《Electrochemical Systems》與Allen J. Bard 之《Electrochemical Methods》等權威經典，同時融入理論與應用的發展脈絡，呈現出電化學分析的新趨勢。書中透過圖像化與概念視覺化的編排，希望幫助讀者由淺入深理解電化學分析的本質，也能掌握前沿研究的途徑。對於更深入的理論與實務面，歡迎讀者參考本人所著的《電化學工程原理》與《電化學工程應用》。
面對全球永續發展目標（SDGs）所帶來的挑戰，電化學正扮演愈來愈關鍵的角色，範圍遍及綠色生產、再生能源、環境整治、資源回收與生醫診斷，因為電化學分析是推動這些技術的加速器。「關心人類和我們的命運，始終是所有科技努力的目標」，愛因斯坦的這句話，在今日尤為深刻。電化學不只是科學的技藝，也是回應世界議題、改善未來生活的實現方式。吾人謹以本書的出版，向歷史的先行者致敬，也與當代的研究者對話，並邀請未來的實踐者加入，走進穿越時空的研發道路。
作者 吳永富
2025 年夏
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